sistemas hibridos colombia

DIMENSIONAMIENTO E INSTALACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO SOLAR
FOTOVOLTAICO Y EÓLICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA EN UNA
INSTITUCIÓN EDUCATIVA UBICADA EN LA LOCALIDAD DE USME
TRWIGGY VALENTINA SALGADO BARRIOS
GISSELLE NATALIA SERRATO OSPINA
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C, COLOMBIA
2021
DIMENSIONAMIENTO E INSTALACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO SOLAR
FOTOVOLTAICO Y EÓLICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA EN UNA
INSTITUCIÓN EDUCATIVA UBICADA EN LA LOCALIDAD DE USME
TRWIGGY VALENTINA SALGADO BARRIOS
GISSELLE NATALIA SERRATO OSPINA
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERA AMBIENTAL
DIRECTORA
NIDIA ELENA ORTIZ PENAGOS
CODIRECTOR
FRANCOIS HERRERA JACQUELIN
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: TECNOLOGÍAS LIMPIAS
BOGOTÁ D.C, COLOMBIA
2021
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN .............................................................................................................. 9
INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 11
OBJETIVOS .......................................................................................................... 12
OBJETIVO GENERAL ...................................................................................... 12
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. 12
ANTECEDENTES ................................................................................................. 13
MARCO TEÓRICO ............................................................................................... 15
4.1 Contexto ambiental, social y económico de la localidad de Usme ............... 15
4.2 Marco normativo de la implementación de energía renovable en Colombia 17
4.3 Energía eléctrica en zonas rurales de Colombia .......................................... 18
4.4 Energía solar fotovoltaica ............................................................................. 20
4.5 Energía eólica .............................................................................................. 21
METODOLOGÍA ................................................................................................... 23
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ...................................................... 27
IMPACTO SOCIAL Y HUMANÍSTICO .................................................................. 48
CONCLUSIONES ................................................................................................. 49
RECOMENDACIONES ......................................................................................... 50
REFERENCIAS..................................................................................................... 51
3
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Manual de funcionamiento del sistema hibrido………………………..53
4
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Datos de velocidad de viento día 1….………………….……………………32
Tabla 2. Datos de velocidad de viento día 2……..……………………………………33
Tabla 3. Datos de velocidad de viento día 3……..……………………………………35
Tabla 4. Datos de velocidad de viento día 4…………..………………………………36
Tabla 5. Datos de velocidad de viento día 5…………..………………………………38
Tabla 6. Datos de velocidad de viento día 6…..………………………………………39
Tabla 7. Datos de velocidad de viento día 7……………………………………………41
Tabla 8. Requerimiento energético………………………………………………….…46
5
LISTA DE FIGURAS
Figura1. Mapa usos del suelo en área rural localidad Usme………………………..16
Figura 2. Zonas interconectadas de Colombia………………………………………..19
Figura 3. Esquema de sistema aislado……………………………………………… 21
Figura 4. Datos promedio máximos de radiación solar mensual…………………. .29
Figura 5. Gráfica coeficiente de potencia……………………………………………..43
6
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Tipos de rotores……………………….………………………………..22
Fotografía 2. Radiación solar………………………..………………………………..28
Fotografía 3. Consola de la estación meteorológica……………………………….30
Fotografía 4. Instalación de la estación meteorológica…………………………….30
Fotografía 5. Instalación de la estación meteorológica…………………………….31
Fotografía 6. Medición velocidad del viento con velocímetro……………………..31
7
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1 potencia del aerogenerador…………………………………………. 24
Ecuación 2 energía requerida …………..…………………………………………24
Ecuación 3 Número de paneles ………..………………………………………….25
Ecuación 4 capacidad de batería ……….…………………………………………25
Ecuación 5 Número de baterías …………………………………………………...25
8
RESUMEN
La localidad de Usme se encuentra ubicada en el suroriente de la ciudad de Bogotá,
es considerada una de las localidades con mayor superficie ya que, se compone
por siete UPZ (Unidades de Planeamiento Zonal) dentro de las cuales se identifican
cinco de tipo residencial, una de tipo predominante dotacional y una última de
desarrollo. Del mismo modo, es importante resaltar que Usme posee una amplia
zona rural la cual es muy significativa debido a los diversos usos del suelo y su gran
variedad étnica, sin embargo, ha sido denominada una zona vulnerable en el ámbito
educativo y socioeconómico debido a que carece de un desabastecimiento
energético continuo lo cual desencadena un alto índice de desescolarización infantil.
A partir de la problemática que se presentó en el sector con relación al
funcionamiento intermitente del tendido eléctrico, La Universidad Santo Tomás tomó
la iniciativa de ayudar y apoyar proyectos que prioricen a las comunidades poco
favorecidas; este trabajo se desarrolló en colaboración de los centros de proyección
social y la facultad de Ingeniería Ambiental. En este caso se eligió la institución
educativa rural La Unión Usme, en donde se benefició a la población ya que, mejoró
significativamente la deficiencia energética que se presentaba mediante el
desarrollo de la instalación de un sistema hibrido junto con un manual instructivo
para el manejo adecuado del mismo; seguido a esto fue llevada a cabo una
capacitación al personal educativo con un video.
La Institución La Unión cuenta con condiciones meteorológicas aptas para llevar a
cabo el proyecto; la medición de la velocidad del viento se mantuvo entre los 2.5
m/s y 7 m/s y una radiación promedio de 4 Wh/(m2*día). Para la instalación del
sistema hibrido fueron asignados los recursos correspondientes a la compra de 2
paneles solares de 365 W, cada uno monocristalinos con eficiencia del 95%, un
aerogenerador de 400 W con radio de 60 cm y eficiencia 23%, dos baterías de 150
Ah de 12 V y un controlador de 60 Ah 12/24 V. Sin embargo, el inversor que se
adquirió es de 600 W lo cual implica que no pueden funcionar todos los equipos
simultáneamente. Mediante la instalación del sistema hibrido fue posible establecer
que este tiene la capacidad de generar 3.069 WH/día.
Palabras claves: aerogenerador, energía
renovables, sistema solar fotovoltaico.
9
eléctrica intermitente, energías
ABSTRACT
The district of Usme is located in the southeast of the city of Bogota and is
considered one of the districts with the largest surface area since it is composed of
seven UPZs, five of which are residential, one of which is predominantly residential
and the last one is for development. Likewise, it is important to highlight that Usme
has a large rural area which is very significant due to the diverse land uses and its
great ethnic variety, however, it has been called a vulnerable area in the educational
and socioeconomic sphere because it lacks a continuous energy supply which
triggers a high rate of child dropout.
On the basis of the problems presented in the sector with regard to the intermittent
operation of electricity lines, the University of Santo Tomas took the initiative to help
and support projects that prioritize the disadvantaged communities; This work was
developed in collaboration with the social projection centers and the Environmental
Engineering faculty. In this case, the Usme Union was chosen as a rural educational
institution, where it benefited the population since it significantly improved the energy
deficiency that was presented by the development of the installation of a hybrid
system together with an instructive manual for the proper management of it; following
this was carried out a training of the educational staff with a video.
The Union has meteorological conditions suitable for carrying out the project; the
wind speed measurement was maintained between 2.5 m/s and 7 m/s and an
average radiation of 4 Wh/(m2*day). For the installation of the hybrid system,
resources were allocated for the purchase of 2 solar panels of 365 W, each
monocrystalline with efficiency of 95%, a 400 W turbine with 60 cm radius and 23%
efficiency, two 150 Ah 12 V batteries and a 60 Ah 12/24 V controller. However, The
inverter that was purchased is 600 W which means that not all the equipment can
operate simultaneously. By installing the hybrid system it was possible to establish
that it has the capacity to generate 3.069 WH/day.
Keywords: wind turbine, Hybrid system, intermittent electrical energy, renewable
energy, photovoltaic solar system.
10
INTRODUCCIÓN
En Colombia se tiene un sector eléctrico que presenta fuertes dificultades teniendo
en cuenta que la mayor parte de la demanda energética se satisface mediante la
generación hidroeléctrica, la cual depende del agua por lo que se ve fuertemente
afectada debido al cambio climático (López et al., 2020). Implementar estrategias
que respondan a las necesidades de acceso a la energía eléctrica resulta importante
para el desarrollo rural, y para el mejoramiento de las condiciones básicas que
requiere un ser humano para tener una buena calidad de vida. Estas estrategias
traen consigo beneficios como la reducción en los costos de la factura del servicio
de electricidad, la venta de los excedentes de energía que no sea consumida y la
disminución en la generación de gases de efecto invernadero (Humberto Rodríguez
Murcia, 2008).
Usme es una localidad ubicada al suroriente de Bogotá, presenta una condición
extrema de pobreza en la zona rural de un 14,9% (Delgado, Jiménez, Moreno,
Rojas, & Zambrano, J. et al., 2010); se ve reflejada en sus niveles socioeconómicos
que impiden un desarrollo en esta población, como también, se mantienen
desplazamientos constantes provocados por los grupos armados y asesinatos que
afectan a su vez la seguridad y cierra las oportunidades de poder gozar de un estilo
de vida con los recursos básicos y fundamentales que necesita un ser humano; la
falta de red eléctrica es una de las principales problemáticas que se tiene porque no
abastece sino una pequeña parte de esta zona, por lo que se propone la
implementación de un sistema hibrido en uno de los institutos educativos, con el fin
de reducir estos impactos negativos beneficiando a la comunidad.
El colegio La Unión se encuentra ubicado en la ciudad de Bogotá en la localidad de
Usme, hace parte de la vereda la Unión; esta comunidad educativa se encuentra
conformada por veinte estudiantes y un cuerpo de docentes, cuenta con una jornada
diurna de 7 am a 3 pm la cual se enfoca exclusivamente en estudios básicos de
primaria (primero a quinto grado). Cabe resaltar que esta zona cuenta con el servicio
de energía de la empresa Enel-Codensa, pero existen ciertas falencias en el sistema
generadas por fallas en el tendido eléctrico, ocasionando un funcionamiento
intermitente. El diseño y la instalación del sistema solar fotovoltaico y eólico
presenta una respuesta a las necesidades de la institución que, consiste en el
aprovechamiento de la energía solar y la velocidad del viento, con el fin de
transformar estas condiciones en energía renovable, la cual es capaz de abastecer
parte de las necesidades de la institución, respecto a temas de suministro
energético de tal modo que sea posible brindar una mejora en el ambiente
educativo, garantizando que existan condiciones más favorables para el trabajo
escolar y a su vez se pueda obtener un mejor rendimiento académico por parte de
los estudiantes.
11
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Dimensionar e instalar un sistema solar fotovoltaico y eólico para el suministro de
energía en una institución educativa ubicada en la localidad de Usme.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
● Evaluar las condiciones meteorológicas del colegio para conocer la
disponibilidad de radiación solar y velocidad del viento.
● Dimensionar el sistema híbrido solar y eólico para suministrar un porcentaje
de energía eléctrica con base en el requerimiento en la institución y la
capacidad de generación en función de las condiciones meteorológicas del
lugar y el presupuesto disponible.
● Operacionalizar el sistema de energías renovables solar fotovoltaica y eólico
en la institución educativa.
● Elaborar un manual de apoyo del funcionamiento y mantenimiento del
sistema híbrido eólico y solar para el personal de la institución educativa
● Indicar las instrucciones de uso del sistema por medio de una capacitación a
la comunidad mediante un video.
12
ANTECEDENTES
Inicialmente es importante tener en cuenta que, el sistema eléctrico nacional se
encuentra repartido en dos zonas, sin embargo en este caso es necesario dirigir el
enfoque a aquellas zonas no interconectadas las cuales son aquellas que no están
directamente enlazadas al Sistema Interconectado Nacional (SIN) (Mehrjerdia &
Hemmati, 2020) por lo que acceder al servicio de energía eléctrica resulta
complicado en dichas áreas que generalmente son zonas rurales las cuales se
caracterizan por su difícil acceso y en las cuales existe una amplia dispersión con
relación a la ubicación de sus habitantes; esto implica que, las comunidades en las
que no hay electrificación se enfrenten a problemáticas sociales y económicas. Por
lo anterior, es necesario realizar la implementación de energías renovables en
dichas áreas.
A partir del desarrollo de una revisión bibliográfica se encontró que como
consecuencia al drástico aumento que han experimentado este tipo de energías en
la actualidad, es posible destacar que la energía solar es una alternativa que
contribuye a la solución de las problemáticas de suministro energético a nivel
mundial mediante su adecuada captación y distribución (Stevović et al., 2019). A
nivel Colombia, han sido llevados a cabo múltiples proyectos a pequeña escala
sobre la implementación de sistemas solares fotovoltaicos en diferentes lugares del
país, a partir de dichas investigaciones es posible determinar la viabilidad en el uso
de este tipo de energía renovable. Mediante el desarrollo de un análisis y evaluación
de dos sistemas (eólico y solar) se logró evidenciar que un sistema fotovoltaico es
más eficiente para el abastecimiento de hogares, pero desde una perspectiva
económica no representa beneficios teniendo en cuenta su rentabilidad (LeónVargas et al., 2019).
Para el año 2019 el departamento de la Guajira contaba con 26 proyectos inscritos
en La Unidad de Planeación Minero-Energética UPME dentro de los cuales fue
posible identificar 17 parques eólicos y 7 proyectos solares que se encontrarían
ubicados en los municipios de Maicao, San Juan del Cesar, Uribia, Riohacha y el
Molino. Estos proyectos se encontraban en fase 1 y fase 2 (Romo, Mendoza,
Urrego, & Urrego a, 2019). A nivel nacional ha sido posible identificar que el
departamento tiene un potencial eólico y solar muy representativo principalmente
por sus características meteorológicas pues presenta una baja nubosidad a lo largo
del año, se estima que el promedio de radiación solar que presenta el departamento
se encuentra entre los 4,5 y 6 kWh/ m2/día. Además de ello a la hora de realizar la
instalación de los proyectos también cuenta con ciertas ventajas como lo es el
relieve ya que, se compone por zonas montañosas en su gran mayoría hay llanuras
(Romo, Mendoza, Urrego, & Urrego a, 2019).
13
Uno de los proyectos más destacados es El Parque Eólico Jepírachi, debido a que
fue el primer diseño en Colombia en el cual se implementó energía eólica. Este se
encuentra ubicado en el municipio de Uribia, esta zona cuenta con óptimas
condiciones meteorológicas para generar energía eléctrica a partir de las altas
velocidades de viento que presenta, por medio de aerogeneradores con rotor de 60
metros de diámetro y un generador de 60 metros de altura. Está conformado por 15
aerogeneradores los cuales se conectan entre ellos bajo la tierra esto con el fin de
tener mayor control sobre la energía mediante una subestación eléctrica (Gutierrez,
2016).
Dentro de los diversos casos de estudio es posible identificar uno sobre la viabilidad
del uso de este tipo de proyectos en la notaría única de San Luis de Gaceno en
Boyacá en donde se realiza la instalación de un sistema autónomo en el techo de
la notaría ubicada en la zona urbana teniendo en cuenta que, es un lugar de interés
para la comunidad (Arias Becerra & Martínez Gómez, 2019). Otro claro ejemplo de
la implementación de sistemas solares fotovoltaicos se puede evidenciar en el
corregimiento de Nazareth del municipio de Uribia, en donde existe una fuerte
problemática a nivel social teniendo en cuenta las situaciones de difícil acceso al
lugar, mediante una investigación fue posible estimar el requerimiento de un kit solar
de 300 vatios el cual tiene la capacidad de suministrar energía eléctrica para una
vivienda con un consumo diario habitual (Gálviz Garzón & Gutiérrez Gallego, 2013).
Del mismo modo, otro de los ejemplos de la implementación de este tipo de energía
que fue posible identificar se desarrolló en la ciudad de Bogotá, más exactamente
en Altos de Cazucá, allí se realizó la instalación de un sistema hibrido eólico solar
fotovoltaico en el cual se emplearon baterías usadas por vehículos; dichas baterías
fueron debidamente reacondicionadas para el óptimo funcionamiento del sistema.
El objetivo de este proyecto fue mejorar las condiciones energéticas de la zona en
la institución Luis Carlos Galán en donde se beneficiaron 1500 estudiantes que se
encuentran en un rango de edad de los 5 a 18 años (Rodriguez & Contreras, 2020).
14
MARCO TEÓRICO
4.1 Contexto ambiental, social y económico de la localidad de Usme
La localidad de Usme está conformada por 279 barrios divididos en 7 UPZ (Unidad
de Planeamiento Zonal) las cuales, la conforman la ciudad de Bogotá, se encuentra
ubicada al sur de la ciudad; limita al occidente con la localidad de Ciudad Bolívar y
el municipio de Pasca, al sur con la localidad de Sumapaz; al norte con las
localidades de Tunjuelito, Rafael Uribe Uribe y San Cristóbal y al oriente con los
municipios de Ubaque y Chipaque. Esta localidad tiene una extensión total de
215,07 𝑘𝑚2 de los cuales 212,07 𝑘𝑚2 son urbanos, 1848,39 𝐾𝑚2 son rurales y
90𝐾𝑚2 son considerados expansión urbana (Eliecer, 2017). En cuanto al contexto
económico y el sector productivo se destaca la producción agropecuaria con
vocación agrícola en las zonas rurales de la localidad; principalmente, se destacan
los cultivos de papa y arveja, sin embargo, también se dan otros cultivos en una
menor cantidad como el de habas, cebolla larga y cabezona, fresa, alcachofa, mora
y otras frutas (Soto, 2010).
El nivel de escolaridad en la localidad en general es regular, cuenta con 95
instituciones educativas de las 2191 que tiene la ciudad. Usme tiene una baja
calidad a nivel estudiantil por sus escasos recursos que afectan tanto la formación,
como la calidad de vida de cada uno de los alumnos por lo que, se han propuesto
por parte de la alcaldía mayor de Bogotá diferentes proyectos que den una mejora
(Secretaría Distrital, 2020).
Respecto a los servicios públicos en la zona rural de la localidad, se sirven 10
acueductos rurales, abasteciendo el agua para consumo humano de cerca de dos
mil personas, por lo que se obtiene que hay una relevante distribución del sistema
hídrico proveniente de la cuenca alta del río Tunjuelito y las subcuencas de los ríos
Curubital, Chisacá, Lechoso y Mugroso; comparado con el acceso a la energía
eléctrica es un contraste al tener altas deficiencias con dicho servicio ya que, no
cuentan con ello (Garzón, 2017).
Los suelos de las diecisiete veredas que conforman la zona rural de la localidad son
aptos para uso agropecuario, lo que quiere decir que tienen óptimas condiciones
para el aprovechamiento productivo ya que, se cultiva:
-
Papa
Cebolla larga
Fresa
Alverja
Zanahoria
15
Figura1. Mapa usos del suelo en área rural localidad Usme.
Fuente: Diagnóstico local de salud con participación social (Soto, 2010)
16
4.2 Marco normativo de la implementación de energía renovable en Colombia
A nivel general es posible destacar que en Colombia actualmente existen múltiples
retos respecto al suministro energético teniendo en cuenta que se presenta un
conflicto entorno a las reservas y la producción de petróleo y gas; del mismo modo,
al inminente avance del cambio climático, por estos factores el sistema energético
se está poniendo en riesgo dado que depende casi que en su totalidad de la energía
hidroeléctrica. A partir de dicho conflicto surge la implementación de las políticas
energéticas las cuales juegan un papel importante ya que en ellas se estipulan
objetivos orientados a la minimización de los costos de energía, la producción y la
distribución de la energía suficiente para satisfacer la demanda, de la misma manera
en ella se involucran objetivos ambientales como la disminución en emisiones
atmosféricas de determinados contaminantes (López et al., 2020).
Actualmente Colombia cuenta con múltiples estrategias orientadas a la expansión
de la cobertura de energía eléctrica dentro de estas es posible identificar cuatro
grupos, el primero corresponde a las políticas públicas, en ellas se encuentran la
ley 1715 enfocada a las energías renovables, el decreto 1623 en el cual se dan
lineamientos para la expansión de coberturas en SIN (Sistema interconectado
nacional) y ZINI (zonas no interconectadas) y la ley 1753 PND 2014-2018 (Olga
Estella Ramirez Yaima, 2016). En relación a las zonas rurales se aplica el Plan
Nacional de Electrificación Rural por medio del decreto 884 de 26 de mayo de 201,
en dicho plan se prioriza las necesidades económicas, culturales y sociales con el
fin, de mantener una participación activa de la comunidad brindando un bienestar
para la mejora de su estilo de vida, este cuenta con el apoyo del ministerio de Minas
y Energía, técnico del Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones
Energéticas para las Zonas No Interconectadas IPSE y la Unidad de Planeación
Minero Energética - UPME los cuales, determinaron que cada dos años se debe de
revisar un reajuste de este plan para así poder tener un mantenimiento constante y
sostenible de dichas soluciones eléctricas para todos los hogares que no tienen
acceso a ella y así contribuir a su uso (COLOMBIA, 2017).
A pesar de que existen diversas estrategias para combatir las problemáticas
relacionadas con la disponibilidad de energía en Colombia los objetivos de
planificación se enfocan exclusivamente en la exportación y se han llevado a cabo
cambios en el marco institucional pero no se han preocupado por una
reorganización dirigida a la disminución del consumo y la justicia energética
(Piedrahíta, 2016).
17
4.3 Energía eléctrica en zonas rurales de Colombia
El suministro de energía eléctrica en las zonas rurales de Colombia tiene múltiples
deficiencias ya que, la gran mayoría de los departamentos de este país están más
afectados por el conflicto armado y presentan los peores índices de cobertura
eléctrica, actualmente por la falta de este recurso se recurre a sistemas alternos de
generación principalmente diésel (Pinilla, 2016). Se posiciona por la ley 1715 de
2014 al ser una fuente no convencional de generación energética la cual, establece
que ninguno de los dos sistemas tiene la capacidad de suplir las necesidades
locales, las poblaciones rurales viven con este problema en su cotidianidad debido
a que tienen un sistema poco funcional (Montalvo Bonilla et al., 2016).
La población rural presenta una mala calidad de vida dado que no tienen un acceso
directo a la red eléctrica, por ende la mayoría de sus hogares implementa el uso de
carbón y petróleo como fuente principal de energía, resaltando la contaminación
ambiental generada a causa de estas emisiones; dentro de los efectos más
relevantes se identifica la afectación a la capa de ozono, la liberación de los gases
de efecto invernadero y la salud de la comunidad por el aire contaminado que
respiran (Corredor, 1997).Las zonas no interconectadas en Colombia son aquellas
en donde no se cuenta con el acceso al servicio público de electricidad, se
caracterizan por tener una baja densidad poblacional, una ubicación geográfica
lejana a la zona urbana, se abastecen de la generación de la planta diesel los cuales
tiene alrededor del 66% del territorio Nacional, se incluyen 17 departamentos, 5
ciudades capitales, 54 cabeceras municipales y 1.262 localidades (Murcia,
Figueroa, & Díaz, 2020).
18
Figura 2. Zonas interconectadas de Colombia
Fuente: Estado de la cobertura eléctrica y las zonas no interconectadas en la
región central (Murcia, Figueroa, & Díaz, 2020)
19
4.4 Energía solar fotovoltaica
La energía solar es una de las formas más eficaces y de fácil acceso ya que, esta
tiene la capacidad de adaptarse a la necesidad de cualquier persona, es la
tecnología avanzada que se está implementando actualmente en el mundo, existen
miles de aparatos que de diferentes formas cuentan como fuentes de uso de energía
y ha provocado que su uso tenga una gran demanda de consumo eléctrico
(Lamigueiro, 2020). Los sistemas solares fotovoltaicos son autónomos tienen la
capacidad de producir electricidad sin ningún tipo de conexión con la red eléctrica
por ende son aptas para la electrificación en las zonas rurales y aisladas ya que,
estas instalaciones pueden ubicarse en cualquier lugar (Corredor German, 1997).
La generación de electricidad con ayuda de la energía solar junto con los sistemas
fotovoltaicos se ha creado principalmente para ayudar al sector rural ya que, estos
son los que tienen un difícil acceso a la misma, debido a los altos costos de
generación originados principalmente en el precio de los combustibles, y los costos
de operación, al contar con la generación solar es mucho más económica y
confiable (Murcia, 2009). La demanda energética que tiene Colombia va en
aumento, al contar con un crecimiento poblacional e industrial, por lo que generación
de la energía solar fotovoltaica es una de las soluciones que tiene esta problemática,
al contar con un alto nivel de potencial de radiación solar en todo su territorio,
pudiendo sacar provecho de esta fuente energética con diferentes tecnologías ya
que, estas son mucho más eficientes, confiables y económicas en un largo plazo
(Ramírez, Murcia, & Cabeza-Rojas).
Figura 3. Esquema de sistema aislado.
Fuente: Proyecto de Instalación Solar Fotovoltaica Para Bloque de Viviendas.
(Tabascar, 2016)
20
4.5 Energía eólica
La energía eólica genera electricidad a partir de la velocidad del viento se obtiene
por unos aerogeneradores que al girar van a transformar la cinética en eólica ya
que, el viento es una masa de aire que se encuentran en movimiento en la atmosfera
donde se tiene en cuenta su dirección y velocidad para producir dicha energía esto
es medido por la veleta (equipo de giro libre y eje vertical), en la actualidad ha
permitido el crecimiento tecnológico por sus grandes beneficios como un bajo costo
en su operación y mantenimiento, reduce el consumo del combustible y a su vez
reduce niveles de emisión de dióxido de carbono (Navales, 2011).
La energía que se obtiene por medio de un rotor de un aerogenerador el cual se
encarga de darle dirección al viento en la parte frontal y reducir las turbulencias, va
en un movimiento que influye por la velocidad del viento de forma rotativa e impulsa
a la transformación mencionada anteriormente, se deben de tener en cuenta los
diferentes tipos de rotores eólicos que son empleados para diferentes condiciones
(Moragues & Rapallini, 2003).
21
Fotografía 1. Tipos de rotores
Fuente: Energía eólica (Moragues & Rapallini, 2003)
22
METODOLOGÍA
Para el desarrollo de este proyecto se llevaron a cabo cuatro fases, la primera
corresponde al diagnóstico y la selección de la institución, la segunda corresponde
al dimensionamiento del sistema hibrido solar y eólico con base a las condiciones
meteorológicas del lugar, el requerimiento de energía de la institución y el
presupuesto disponible, la tercera la instalación del sistema y por último el desarrollo
de la capacitación haciendo uso de un manual de apoyo.
Diagnóstico y selección de la institución:
En esta etapa se eligió el colegio en el cual se va a implementar el sistema teniendo
presente las necesidades de la comunidad y los recursos con los que cuenta la
misma, un factor importante para la selección fue que la institución contará con un
servicio de vigilancia con el fin de evitar el robo de los equipos, dicho sistema ofrece
un suministro energético en un área específica de la institución; este proceso se
realizó mediante reuniones entre la unidad de proyección social de la Universidad
Santo Tomás y la facultad de ingeniería ambiental.
Dimensionamiento del sistema híbrido solar y eólico:
Se llevó a cabo una recopilación de datos en campo a partir de una medición con
una estación meteorológica, esta actividad se desarrolló durante un tiempo de 24
horas por 7 días. Cabe resaltar que a la hora de realizar la instalación de la estación
fue necesario tener en cuenta ciertos parámetros dado que el equipo tuvo que ser
ubicado en un lugar estratégico en el que estuviera alejado de una fuente de calor
y del mismo modo a una altura suficiente en donde no se presentarán
modificaciones en los datos por factores externos, este lugar permitió que el terreno
fuera accesible al observador.
Inicialmente se verificaron todos los componentes de la estación seguido a esto se
realizó una revisión del manual de usuario con el fin de encender y de configurar
correctamente la consola del equipo en donde se registraron datos específicos del
área de estudio como la latitud, longitud, fecha, hora; posteriormente se conectaron
los sensores y se ajustó el anemómetro el cual brinda datos sobre la velocidad y la
dirección del viento.
23
Evaluación del requerimiento de consumo de energía eléctrica de la
institución:
Se realizó una visita con el objetivo de identificar el número de luminarias LED en
cada una de las áreas de la institución y a su vez se revisaron las potencias de
consumo de cada una de ellas, posteriormente se observó cada uno de los
electrodomésticos con los cuales se contaba dentro de las aulas (computadores,
televisores e impresora) con el fin de llevar a cabo el mismo procedimiento de las
luminarias; seguido a esto se determinó el porcentaje de energía que será
suministrado por el sistema hibrido con base al presupuesto.
Dimensionamiento del sistema:
Haciendo uso de los datos arrojados por la estación meteorológica de la velocidad
del viento medidos por siete días durante 24 horas, el dato usado para el desarrollo
de la ecuación corresponde al valor más alto.
1
𝑃𝑜𝑡 𝐴𝑒𝑟 = 2 𝐷𝑒𝑛𝑠 ∗ 𝜋 ∗ 𝑅 2 ∗ 𝑉𝑒𝑙 3 ∗ 𝐹 ∗ 𝜇 (Ec.1)
Donde:
Dens: Densidad del aire
𝑅: Radio del aerogenerador
Vel: Velocidad del viento medida en campo
F: Factor de Raileight
μ: Eficiencia del aerogenerador
Para la ejecución de esta etapa se tuvo en cuenta el lugar exacto donde se realizó
la instalación del sistema hibrido eólico solar fotovoltaico, inicialmente se tomaron
las coordenadas con el fin de poder ingresar los datos mencionados anteriormente
en la página de la NASA “urface meteorology and energy solar”,en la base de datos
en la sección ”Daily solar radiation horizontal” se obtuvieron los valores de radiación
solar dentro de los cuales se identificó el dato mínimo para poder ejecutar el cálculo
de la energía requerida para el panel solar.
24
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 =
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎
𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑖𝑐𝑜
∗ 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙(Ec.2)
Posteriormente, se procedió al desarrollo de un cálculo mediante el cual fue posible
estimar la cantidad de paneles solares necesarios para el abastecimiento de la
energía requerida y a su vez de baterías (Tobajas Vázquez, C. 2018).
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 =
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑊ℎ
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 = 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎*(1,3)
(Ec.3)
(Ec.4)
(Ec.5)
También es necesario tener en cuenta el controlador ya que, este regula el voltaje
y la corriente producida por el panel, a su vez se debe tomar en consideración el
inversor porque es el encargado de convertir la corriente directa en alterna.
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝐴 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 ∗ 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝐴 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙
25
(Ec.6)
Desarrollo de la capacitación a la comunidad haciendo uso de un manual de
apoyo:
A partir de las fases anteriores, se elaboró un manual el cual aborda los temas sobre
el funcionamiento del sistema solar y posteriormente se realizó una capacitación
dirigida a la comunidad educativa con el fin de socializar el proyecto ejecutado y dar
a conocer el tema de las energías no convencionales.
26
RESULTADOS, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN
Mediante la colaboración entre la facultad de ingeniería ambiental y la unidad de
proyección social fue posible llevar a cabo la selección de una institución educativa
para la instalación de un sistema hibrido (eólico solar). Para el presente proyecto
fue elegido el colegio rural La Unión ubicado en la localidad de Usme ya que,
presenta una intermitencia en el sistema de energía.
Respecto al consumo de energía del colegio no fue posible conocer el dato exacto
debido a que no se cuenta con la factura del servicio de energía eléctrica dado que
se registra solamente un recibo para las cinco instituciones de las diecisiete veredas
que conforman la zona rural de Usme.
•
Radiación solar
Para establecer la disponibilidad del recurso solar en el área de estudio los datos
fueron obtenidos en la página de la NASA “urface meteorology and energy solar” en
donde fue posible identificar que en los años (2015 – 2019) el valor de radiación
solar mayor corresponde a 5,02 KWh/(m2*día), y el menor valor es de 3,86
KWh/(m2*día); y a su vez se mantuvo un promedio de 4 KWh/(m2*día), como se
puede observar en la fotografía 2.
27
Fotografía 2. Radiación solar
Fuente: NASA y plataforma Photovoltaic geographical information system.
28
Figura 4. Datos promedio máximos de radiación solar mensual
Fuente: NASA y plataforma Photovoltaic geographical information system.
En la figura 4 es posible evidenciar la serie de datos correspondientes a los valores
promedio máximos de radiación solar mensual para los años 1983 a 2005 los cuales
oscilan entre 4.5 a 5.5 KWh/m^2/día.
La adquisición de los recursos para la compra de los equipos que componen el
sistema hibrido fue aportado por la Universidad Santo Tomás y gestionado por la
Unidad de Proyección Social; el presupuesto aprobado aproximadamente fue de
$5.200.000, los cuales fueron invertidos en dos paneles solares monocristalinos
cada uno de 365 W con eficiencia del 95% y un aerogenerador de 400 W con radio
de 60 cm y eficiencia 23%, cableado calibre 4 mm2 con longitud de 15 m, un
controlador de 60 A de 12 V y un inversor de 600 W.
•
Velocidad del viento
Para la medición de la velocidad del viento fue necesaria la instalación de una
estación meteorológica referencia Davis Vantage PRO 2 la cual fue ubicada en
un punto estratégico de la institución con el objetivo de obtener datos de calidad
y buena precisión.
29
Fotografía 3. Consola de la estación meteorológica.
Fuente: Autores
Fotografía 4. Instalación de la estación meteorológica.
Fuente: Autores
30
Fotografía 5. Instalación de la estación meteorológica.
Fuente: Autores
Fotografía 6. Medición velocidad del viento con velocímetro.
Fuente: Autores
31
La recopilación de los datos fue llevada a cabo durante 24 horas por 7 días en
diferentes meses (junio, julio, agosto y septiembre) en intervalos de 30 minutos
como se evidencia en las siguientes tablas.
Tabla 1. Datos de velocidad de viento día 1.
DATOS EN CAMPO
Fecha: 11 de junio 2021
Hora
6:00
6:30
-7:00
7:30
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
Velocidad (m/s) Watts (W)
3,06
8,67
4,09
20,69
1,8
1,76
3,6
14,11
2,02
2,49
1,9
2,07
1,53
1,08
4
19,36
1,8
1,76
0,09
0,00
2,7
5,95
1,8
1,76
1,8
1,76
5,4
47,63
2,1
2,80
1,62
1,29
2,2
3,22
2,03
2,53
2
2,42
1,98
2,35
1,73
1,57
2,13
2,92
1,86
1,95
1,78
1,71
1,84
1,88
1,7
1,49
1,19
0,51
2
2,42
1,7
1,49
2,5
4,73
1,8
1,76
32
Watts-hora,día
(WH/día)
4,33
10,35
0,88
7,06
1,25
1,04
0,54
9,68
0,88
0,00
2,98
0,88
0,88
23,81
1,40
0,64
1,61
1,27
1,21
1,17
0,78
1,46
0,97
0,85
0,94
0,74
0,25
1,21
0,74
2,36
0,88
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
0:00
0:30
1:00
1:30
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
3,5
4
2,9
2,8
2,7
1,8
1,9
2,2
1,3
1,2
2,8
3,6
3,1
2,2
2,5
1,8
1,9
12,97
19,36
7,38
6,64
5,95
1,76
2,07
3,22
0,66
0,52
6,64
14,11
9,01
3,22
4,73
1,76
2,07
6,48
9,68
3,69
3,32
2,98
0,88
1,04
1,61
0,33
0,26
3,32
7,06
4,51
1,61
2,36
0,88
1,04
Fuente: Autores
Tabla 2. Datos de velocidad de viento día 2.
DATOS EN CAMPO
Fecha: 03 de julio 2021
Hora
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
Velocidad (m/s)
3,6
5,4
1,7
1,6
3,1
3,2
4,5
4,1
1,8
3,2
2,2
2,5
1,9
Watts (W)
14,11
47,63
1,49
1,24
9,01
9,91
27,56
20,85
1,76
9,91
3,22
4,73
2,07
33
Watts -hora, día
(WH/día)
7,06
23,81
0,74
0,62
4,51
4,96
13,78
10,42
0,88
4,96
1,61
2,36
1,04
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
0:00
0:30
1:00
1:30
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
6:30
7:00
7:30
1,6
2,5
2,3
2,2
1,4
1,3
2,3
2,8
2,7
2,7
3,1
4,1
3,5
2,9
2,8
2,2
1,8
1,8
3,4
3,2
3,1
2,8
1,6
2,2
2,7
2,9
3,1
4
5,1
5,2
4,6
3,2
3,6
2,9
1,8
1,24
4,73
3,68
3,22
0,83
0,66
3,68
6,64
5,95
5,95
9,01
20,85
12,97
7,38
6,64
3,22
1,76
1,76
11,89
9,91
9,01
6,64
1,24
3,22
5,95
7,38
9,01
19,36
40,12
42,53
29,44
9,91
14,11
7,38
1,76
Fuente: Autores
34
0,62
2,36
1,84
1,61
0,41
0,33
1,84
3,32
2,98
2,98
4,51
10,42
6,48
3,69
3,32
1,61
0,88
0,88
5,94
4,96
4,51
3,32
0,62
1,61
2,98
3,69
4,51
9,68
20,06
21,26
14,72
4,96
7,06
3,69
0,88
Tabla 3. Datos de velocidad de viento día 3
DATOS EN CAMPO
Fecha: 10 de agosto 2021
Hora
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
0:00
0:30
1:00
1:30
Velocidad (m/s)
2,6
2,3
3,2
4,1
5,2
6,8
4,5
7,3
6,1
7,2
5,4
4,2
4,6
3,3
2,8
2,9
2,6
2,2
1,8
3,5
3,2
4,1
6,3
6,9
4,8
7,2
7,6
7
6
6,6
5,8
4,9
5
6,5
6,6
4,5
Watts (W)
5,32
3,68
9,91
20,85
42,53
95,11
27,56
117,67
68,66
112,90
47,63
22,41
29,44
10,87
6,64
7,38
5,32
3,22
1,76
12,97
9,91
20,85
75,63
99,36
33,45
112,90
132,78
103,75
65,33
86,96
59,02
35,59
37,81
83,07
86,96
27,56
35
Watts hora,
día (WH/día)
2,66
1,84
4,96
10,42
21,26
47,55
13,78
58,83
34,33
56,45
23,81
11,20
14,72
5,43
3,32
3,69
2,66
1,61
0,88
6,48
4,96
10,42
37,82
49,68
16,73
56,45
66,39
51,87
32,67
43,48
29,51
17,79
18,90
41,53
43,48
13,78
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
6:30
7:00
7:30
3
3,5
4,1
3,9
5,4
6,6
4
4,8
3,5
3,2
3
2,5
8,17
12,97
20,85
17,94
47,63
86,96
19,36
33,45
12,97
9,91
8,17
4,73
4,08
6,48
10,42
8,97
23,81
43,48
9,68
16,73
6,48
4,96
4,08
2,36
Fuente: Autores
Tabla 4. Datos de velocidad de viento día 4.
DATOS EN CAMPO
Fecha: 15 de agosto 2021
Hora
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
Velocidad (m/s)
5,4
7,2
4,9
3,6
3,1
4,5
1,8
2,2
3,2
3,4
8
4,9
4
5,3
4,7
3,1
3,5
4
Watts (W)
47,63
112,90
35,59
14,11
9,01
27,56
1,76
3,22
9,91
11,89
37,81
35,59
19,36
45,03
31,40
9,01
12,97
19,36
36
Watts- hora,día
(WH/día)
23,81
56,45
17,79
7,06
4,51
13,78
0,88
1,61
4,96
5,94
18,90
17,79
9,68
22,52
15,70
4,51
6,48
9,68
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
0:00
0:30
1:00
1:30
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
6:30
7:00
7:30
27,56
22,41
2,42
5,95
9,91
12,97
22,41
9,91
19,36
25,77
14,11
6,64
15,32
2,80
12,97
5,95
19,36
22,41
14,11
9,91
7,38
5,95
9,01
8,17
7,38
1,76
2,42
3,22
9,91
10,87
4,5
4,2
2
2,7
3,2
3,5
4,2
3,2
4
4,4
3,6
7,6
3,7
2,1
3,5
4,5
9
6,4
3,6
3,2
2,9
2,7
3,1
3
2,9
1,8
2
2,2
3,2
3,3
Fuente: Autores
37
13,78
11,20
1,21
2,98
4,96
6,48
11,20
4,96
9,68
12,88
7,06
3,32
7,66
1,40
6,48
2,98
9,68
11,20
7,06
4,96
3,69
2,98
4,51
4,08
3,69
0,88
1,21
1,61
4,96
5,43
Tabla 5. Datos de velocidad de viento día 5.
DATOS EN CAMPO
Fecha:26 de agosto 2021
Hora
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
0:00
0:30
1:00
1:30
Valor (m/s)
4,2
3,2
3,9
2,2
1,8
3,6
3,3
2,8
2,7
3,6
3,1
3
3,5
4,2
5,2
5,9
6,2
6,9
6,6
7
7,2
9,4
10,2
3,8
3,2
3,1
9,6
10
2,2
3,3
3,4
3,1
8
7,5
6
4,3
Watts (W)
22,41
9,91
17,94
3,22
1,76
14,11
10,87
6,64
5,95
14,11
9,01
8,17
12,97
22,41
42,53
62,12
72,09
99,36
86,96
103,75
112,90
35,59
27,56
16,60
9,91
9,01
7,38
1,76
3,22
10,87
11,89
9,01
7,38
6,64
12,97
10,87
38
Watts- hora, día
(WH/día)
11,20
4,96
8,97
1,61
0,88
7,06
5,43
3,32
2,98
7,06
4,51
4,08
6,48
11,20
21,26
31,06
36,04
49,68
43,48
51,87
56,45
17,79
13,78
8,30
4,96
4,51
3,69
0,88
1,61
5,43
5,94
4,51
3,69
3,32
6,48
5,43
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
6:30
7:00
7:30
2,9
4,1
3,3
3
2,2
1,8
1,7
1,6
2,9
2,5
2,2
2
7,38
20,85
10,87
8,17
3,22
1,76
1,49
1,24
7,38
4,73
3,22
2,42
3,69
10,42
5,43
4,08
1,61
0,88
0,74
0,62
3,69
2,36
1,61
1,21
Fuente: Autores
Tabla 6. Datos de velocidad de viento día 6.
DATOS EN CAMPO
Fecha: 2 de septiembre 2021
Hora
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
Velocidad (m/s) Watts (W)
3,3
10,87
2,7
5,95
1,3
0,66
1,8
1,76
4,5
27,56
5,6
53,12
5
37,81
4
19,36
5,4
47,63
3,3
10,87
3,8
16,60
3,1
9,01
3,2
9,91
2,7
5,95
2,2
3,22
2
2,42
2,7
5,95
1,8
1,76
2,2
3,22
3,3
10,87
39
Watts- hora, día
(WH/día)
5,43
2,98
0,33
0,88
13,78
26,56
18,90
9,68
23,81
5,43
8,30
4,51
4,96
2,98
1,61
1,21
2,98
0,88
1,61
5,43
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
0:00
0:30
1:00
1:30
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
6:30
7:00
7:30
3
3,9
3,5
4,3
4,4
5,6
5
6,3
5,8
4,1
3,6
3,2
3,1
2,7
2,7
2,9
1,8
2,2
3,2
1,8
1,7
2,2
2,9
2,8
3,3
3,5
3
2,9
8,17
17,94
12,97
24,05
25,77
53,12
37,81
75,63
59,02
20,85
14,11
9,91
9,01
5,95
5,95
7,38
1,76
3,22
9,91
1,76
1,49
3,22
7,38
6,64
10,87
12,97
8,17
7,38
Fuente: Autores
40
4,08
8,97
6,48
12,02
12,88
26,56
18,90
37,82
29,51
10,42
7,06
4,96
4,51
2,98
2,98
3,69
0,88
1,61
4,96
0,88
0,74
1,61
3,69
3,32
5,43
6,48
4,08
3,69
Tabla 7. Datos de velocidad de viento día 7.
Hora
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
0:00
0:30
1:00
1:30
DATOS EN CAMPO
Fecha: 6 septiembre 2021
Watts- hora,día
Velocidad (m/s) Watts (W)
(WH/día)
2,2
3,22
1,61
3,2
9,91
4,96
1,8
1,76
0,88
2,6
5,32
2,66
2,7
5,95
2,98
2,2
3,22
1,61
3,6
14,11
7,06
4,1
20,85
10,42
3,6
14,11
7,06
3,8
16,60
8,30
3,5
12,97
6,48
4,1
20,85
10,42
4
19,36
9,68
7,4
122,57
61,28
6,2
72,09
36,04
5,6
53,12
26,56
5,9
62,12
31,06
4
19,36
9,68
3,5
12,97
6,48
4,2
22,41
11,20
5,5
50,32
25,16
5
37,81
18,90
4,9
35,59
17,79
3,9
17,94
8,97
3,1
9,01
4,51
2,2
3,22
1,61
2,7
5,95
2,98
1,8
1,76
0,88
2,6
5,32
2,66
3,3
10,87
5,43
4,2
22,41
11,20
3,6
14,11
7,06
3,9
17,94
8,97
3,1
9,01
4,51
2,7
5,95
2,98
4
19,36
9,68
41
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
6:30
7:00
7:30
4,2
3,5
3,6
4,1
5
5,2
6,3
6,5
5,9
6
4,2
2,8
22,41
12,97
14,11
20,85
37,81
42,53
75,63
83,07
62,12
65,33
22,41
6,64
11,20
6,48
7,06
10,42
18,90
21,26
37,82
41,53
31,06
32,67
11,20
3,32
Fuente: Autores
A partir de los datos que se muestran en las tablas 3 a 9 de velocidad del viento
medida en campo, se calculó la potencia generada por el aerogenerador con base
en la siguiente ecuación:
1
𝑃𝑜𝑡 𝐴𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝜋 ∗ 𝑅 2 ∗ 𝑉𝑒𝑙 3 ∗ 𝐹 ∗ 𝜇
2
Donde:
𝐾𝑔
Densidad del aire = 1,224 𝑚3
𝑅: radio del aerogenerador de 60 cm = 0,6 m
Vel es la velocidad del viento medida en campo cada 30 minutos
F: factor de Raileight = 1,9
Este factor permite establecer la eficiencia con la cual el aerogenerador convierte la
energía en electricidad, se toma el factor de rayleigh teniendo en cuenta la gráfica
de potencia, donde indica que las velocidades del viento para un aerogenerador de
400 W tienen un promedio de velocidades igual o superiores a 4 m/s, se tomó esta
referencia ya que, los datos tomados en campo se ajustan a esta teoría.
42
Figura 5. Gráfica coeficiente de potencia
Fuente: Asociación danesa de la industria eólica,2003
μ: eficiencia del aerogenerador de 23%, indicado en la ficha técnica del equipo, en
donde se tiene en cuenta, que los aerogeneradores manejan una eficiencia mayor
o igual a un 20%.
Como se muestra en los cálculos se halla la potencia para el primer dato de
velocidad de 3,06 m/s de la Tabla 5:
𝑃𝑜𝑡 𝐴𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =
1
𝐾𝑔
𝑚 3
∗ 1,224 3 ∗ 𝜋 ∗ (0,6 𝑚)2 ∗ (3,06 ) ∗ 1,9 ∗ 0,23
2
𝑚
𝑠
𝑷𝒐𝒕 𝑨𝒆𝒓𝒐𝒈𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓 = 𝟖, 𝟔𝟕 𝑾
Para calcular la energía, se multiplica la potencia obtenida por el tiempo de 30
minutos equivalente a 0,5 horas, este tiempo fue seleccionado con el fin de
obtener una mayor precisión del comportamiento de la velocidad del viento:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐴𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑃𝑜𝑡 𝐴𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 8,67 𝑊 ∗ 0,5 ℎ
= 4,33 𝑊𝐻
De esta manera se obtuvieron los valores de potencia y energía que se muestran
en las Tablas 1 a 7.
43
La energía en WH total producida por el aerogenerador cada día se muestra en
cada una de las Tablas 3 a 9.
Para el cálculo de la energía obtenida por el sistema híbrido se tomó la energía
promedio obtenida por el aerogenerador correspondiente a 469 WH.
Se calculó la energía que puede obtenerse con el sistema híbrido solar y eólico.
•
Energía diaria suministrada por el sistema solar con paneles monocristalinos
de 365 W y 95% de eficiencia, tomando la menor radiación solar en los
últimos 5 años de 3,75 KWH/(m2*día):
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑢𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 ∗ 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ∗ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑢𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 = 365 𝑊𝐻 ∗ 3,75 ∗ 0,95 = 1.300,3 𝑊𝐻
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 2 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 1.300,3 𝑊𝐻 ∗ 2 = 𝟐. 𝟔𝟎𝟎, 𝟔 𝑾𝑯
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟í𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 ℎí𝑏𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑒ó𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑦 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
= 2.600,6
•
𝑊
𝑊
𝑾
+ 469
= 𝟑. 𝟎𝟔𝟗, 𝟔
𝑑í𝑎
𝑑í𝑎
𝒅í𝒂
Baterías, controlador e inversor para el sistema híbrido: Se seleccionan
baterías de 12 V
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 =
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
∗ 1,2
𝑉 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎
Las baterías fueron seleccionadas teniendo en cuenta la capacidad de las mismas,
este tipo de baterías son empleadas en sistemas que presentan un consumo
44
mensual inferior a 100 KWh y potencias de 1 kW. No oobstante, también es
necesario tener en mente que el factor económico también juega un papel
fundamental a la hora de dicha selección.
El factor 1,2 corresponde al sobredimensionamiento de las baterías considerando
que pueden perder eficiencia por sobrecalentamiento y que la carga y descarga no
se realiza al 100%.
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 =
3.069,6 𝑊𝐻
∗ 1,2 = 𝟑𝟎𝟕 𝑨𝒉
12 𝑉
Se selecciona dos baterías de ciclo profundo de 150 Ah cada una y 12 V que se
encuentra en el comercio
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝑁𝑜. 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 ∗ 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙
La corriente máxima de cada panel es 9,3 A según su ficha técnica.
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 2 ∗ 9,3 𝐴 = 𝟏𝟖, 𝟔 𝑨
Se selecciona un controlador de 20 A o mayor para los paneles solares. Se dispone
de un controlador de 50 A.
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠
400 𝑊
= 𝟑𝟑, 𝟒 𝑨
12 𝑉
45
El aerogenerador trae controlador.
Según los requerimientos del colegio, se seleccionaron los equipos o unidades
eléctricas que recibirán la energía del sistema híbrido:
•
•
•
•
•
Luminarias: 4 de 70 W = 280 W
Luminaria: 1 de 220 W
Impresora: 127 W
Computadores: 2*110 W = 220 W
Televisor: 120 W
Tabla 10. Requerimiento energético
CONSUMO (W)
HORAS DE USO
DIARIO
WH/DÍA
4
280
4
1.120
Luminarias (220
W)
1
220
3
660
Impresora (10
min/día)
1
127
0,17
21,59
Computadores
(110 W)
2
220
4
880
1
120
3
360
EQUIPO
ELÉCTRICO
Luminarias (70 W)
Televisor (120W)
TOTAL
UNIDADES
967
3.042
Fuente: Autores
La capacidad requerida del inversor es de 967 W debido a que debe invertir la
potencia que consumen todos los equipos si estos estuvieran funcionando
simultáneamente. Sin embargo, el inversor que se adquirió es de 600 W que implica
que no pueden funcionar todos los equipos simultáneamente, teniendo en cuenta,
que la luminaria que consume 220 W solamente se utiliza durante la noche en la
46
habitación de la profesora y los demás equipos se usan durante el día, además, la
impresora consume 127 W y sólo se utiliza en promedio durante 10 minutos diarios;
se observa que el inversor tiene la capacidad requerida si la impresora se acciona
sin tener las 4 luminarias que se utilizan durante el día encendidas.
•
Instalación del sistema hibrido
La instalación de los paneles solares se realizó en paralelo el cual permite que se
mantenga el voltaje de las placas solares, inicialmente fue necesario ubicar el lugar
en el que se implementó la conexión ya que, era fundamental verificar que la
superficie fuera capaz de soportar el peso de los dos paneles, por lo tanto, se eligió
el techo en donde se ubica el aula de clase y la sala de audiovisuales de la
institución educativa.
Con relación a la instalación, en primer lugar, se tuvieron en cuenta las conexiones
en paralelo entre los 2 paneles solares fotovoltaicos; la salida de estos se conecta
al controlador de carga (positivo con positivo y negativo con negativo) que evita que
las baterías se sobrecarguen y sobre descarguen; el controlador se conecta a las
baterías que a su vez están entre sí en paralelo a donde también llega el tendido
eléctrico de conexión con el aerogenerador. La salida del controlador va al inversor
y este se conecta a los tacos de la caja principal del colegio que distribuyen la
energía a la biblioteca y a la habitación de la profesora que corresponde a los
lugares donde el sistema híbrido va a suministrar energía (computadores,
impresora, televisor y luminarias). Se emplearon conectores de tipo MC4, con la
finalidad de brindar protección respecto a las diferentes condiciones climáticas y
tendido eléctrico con espesor de 4mm y una longitud de 15 m.
Con relación al aerogenerador eólico se encuentra instalado cerca al área de la
cocina y el comedor de la institución, este equipo se encuentra fijado a la pared por
medio de unas abrazaderas de platino ubicadas a lo largo del tubo; estas se
encargan de sostener el aerogenerador junto con un soporte metálico. El sistema
híbrido no posee la capacidad de abastecer los equipos de toda la institución; se
empleó un conmutador con el objetivo de permitir el paso de la energía eléctrica de
la red del lugar o del sistema híbrido.
47
IMPACTO SOCIAL Y HUMANÍSTICO
La zona rural de la localidad de Usme presenta una situación crítica en lo que
respecta a la disponibilidad y el acceso a los servicios públicos, según la
caracterización estratégica de salud a su casa se obtuvo que en las veredas habitan
610 familias sin acueducto, 737 sin alcantarillado y 613 sin recolección de basuras.
Así mismo en el sector de La Flora 55 familias no cuentan con conexión al
acueducto, 91 sin alcantarillado y 33 sin recolección de basura, por lo tanto, se tiene
en cuenta que tampoco cuentan con energía eléctrica. (Delgado, Jiménez, Moreno,
Rojas, Zambrano, J. et al., 2010).
Respecto al área de cobertura de energía eléctrica en la localidad se tiene que
comprender 5.016 Ha de 21.506 Ha, de estas 2.120 Ha corresponden a suelo
urbano, 902 Ha se clasifican en invasión urbana y las restantes 18.483 Ha en zona
rural, por lo que se identifica que la falta de este servicio fundamental se puede
explicar debido a su nivel socioeconómico bajo. (Peña Pinilla, Caicedo Rubiano,
Rodríguez Ávila, Peña, Ruiz Guataquí, Paredes Cáceres,J.E et al., 2019)
La Institución Colegio rural La Unión se ve beneficiada con la implementación del
sistema hibrido teniendo en cuenta que, este aporta 3042 Wh/día permitiendo el
funcionamiento de 5 luminarias, una impresora, 2 computadores y un televisor por
lo que es posible afirmar que el proyecto es pertinente socialmente en la medida en
que brinda la posibilidad a la comunidad de contar con una provisión de servicio
energético que no sea intermitente y del mismo modo, conocer el uso de tecnologías
no renovables como los sistemas solares fotovoltaicos los cuales, contribuyen a la
sostenibilidad y mejoran las condiciones de acceso a la energía satisfaciendo la
demanda energética de la institución educativa. (Arias Becerra, D. F., & Martínez
Gómez, K. S. 2019).
No obstante, también es posible y necesario tener en cuenta que mediante el uso
de este tipo de energía se esta brindando cierta enseñanza a los estudiantes de la
institución en la cual se evidencia que existen diversos modelos energéticos que
contribuyen de manera significativa a las problemáticas ambientales y de este modo
poco a poco ir impartiendo cierta conciencia con relación a temáticas ambientales
48
CONCLUSIONES
•
La implementación del sistema hibrido eólico solar fotovoltaico pudo ser
llevada a cabo teniendo en cuenta que el área de estudio presentó
condiciones meteorológicas favorables permitiendo el suministro de energía
a la institución educativa la Unión.
•
Mediante la elaboración del proyecto fue posible realizar un acercamiento a
la comunidad de zonas rurales de la ciudad de Bogotá permitiendo que la
Universidad Santo Tomás contribuya a las fuertes problemáticas
ambientales, sociales y económicas que se presentan cotidianamente.
•
En términos educativos se garantizó un mejoramiento en la calidad de vida
de los estudiantes en lo que respecta a su desempeño académico dado que
se brindan un mayor número de posibilidades y formas de adquirir
conocimiento de una manera más didáctica e interesante y a su vez un
cambio en las condiciones visuales dentro del aula
•
Con base a este proyecto fue posible establecer que la energía solar tiene
una mayor eficiencia en comparación a la energía eólica, esto se puede
explicar debido a que la ubicación geográfica de Colombia favorece el
porcentaje de radiación solar.
49
RECOMENDACIONES
•
Se recomienda hacer un mantenimiento preventivo del sistema hibrido eólico
solar fotovoltaico con el fin de minimizar riesgos dentro de la institución
•
Se recomienda promover el uso de energías renovables con el fin de
disminuir la contaminación y así mismo mejorar la eficiencia de red eléctrica.
•
Se recomienda al colegio La Unión mantener informado a la comunidad y a
los estudiantes sobre los beneficios que trae consigo la implementación de
energías alternativas y a su vez, las novedades de dichos equipos.
•
Se recomienda hacer un uso adecuado del recurso energético en la
institución promoviendo las buenas prácticas basadas en el ahorro.
50
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ANEXOS
Anexo 1. Manual de funcionamiento del sistema hibrido.
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